Nieuwe technieken voor het afstemmen van nanokristallen verbeteren de efficiëntie van zonnecellen en LED-prestaties

In een onderzoek die spannende mogelijkheden voor zonnecellen en lichtemitterende diodes (LED’s) ontgrendelt op basis van materialen die bekend staan ​​als perovskites, hebben Riken-onderzoekers verfijnde technieken voor het beheersen van de optische en elektronische eigenschappen van perovskiet nanokristallen.

De hoge afwijzing van all-anorganische nanokristallen gemaakt van perovskietmaterialen met de chemische formule CSPBX₃ (waarbij x een halogenide is zoals chloor, broom of jodium) maken ze aantrekkelijk voor gebruik in verschillende toepassingen, waaronder bioimaging, LED’s, lasers en elektronische apparaten.

Nanokristallen van verschillende vormen zijn onderzocht, waaronder nanoroden, nanodraden en nanoplatelets. De eigenschappen van deze nanokristallen variëren afhankelijk van hun richting. Kubieke nanokristallen hebben daarentegen hogere symmetrie, waarbij al hun gezichten hetzelfde zijn.

Als kubieke nanokristallen echter in een enkele laag op een plat oppervlak worden gerangschikt, zullen hun vier zijgezichten identiek zijn, maar hun bovenste gezichten worden blootgesteld aan lucht, terwijl hun onderste gezichten contact opnemen met het substraat. Het effect van dit verschil in gezichten op hun eigenschappen is tot voor kort weinig bestudeerd.

Nu hebben Retno Miranti van het Riken Center for Emergent Matter Science en collega’s de elektronische staten gemanipuleerd in kubieke nanokristallen van cesium loodbromide (CSPBBRBR₃) door ze op een gecoat substraat te rangschikken.

Het team, geleid door Yong-Jin PU, gecoate kwarts-substraten met 3-aminopropyltrimethoxysilaan (APS) en vervolgens cesium loodbromide nanokristallen in een enkele laag geassembleerde. Met behulp van een dip-coatingtechniek konden ze 99% van het oppervlak bedekken. Het werk is gepubliceerd in The Journal of Physical Chemistry Letters.

“De moeilijkste uitdaging was het bereiken van een uniforme coating van nanokristallen over het oppervlak van het substraat zonder aggregatie of ongelijke dispersie”, merkt Miranti op.

De met APS behandelde substraten verbonden met de onderkant van elk nanokristal, die de symmetrie van het materiaal verstoren. Deze interactie zorgde ervoor dat hun elektronische staten verticaal werden uitgelijnd in een proces dat de verwachtingen van het team overtrof.

“We waren verrast om te ontdekken dat de aminogroepen een dubbele rol speelden”, merkt Miranti op. “Ze verbeterden allebei de hechting en veranderden de oriëntatie van de overgangsdipoolmomenten in een monolaag.”

Substraten behandeld met andere silaanmiddelen konden niet hetzelfde niveau van uniformiteit of anisotrope gedrag bereiken, wat de rol van APS -behandeling benadrukt bij het mogelijk maken van precieze controle.

Uitgestalde overgangsdipoolmomenten die via deze methode zijn bereikt, hebben belangrijke implicaties voor apparaatprestaties.

In LED’s maakt de afstemming van overgangsdipoolmomenten nauwkeurige controle van lichtpolarisatie mogelijk, waardoor de display -technologie wordt verbeterd. In zonnecellen optimaliseert het lichtabsorptie. “Dit verhoogt de lichte oogst-efficiëntie, cruciaal voor het verhogen van de vermogensconversie-efficiëntie van zonnecellen”, zegt PU.

Het team van PU is van plan om energieoverdracht binnen nanokristalassemblages te verkennen, met als doel verdere vooruitgang in opto -elektronische engineering te ontgrendelen.